Mới đây, các nhà khoa học tại Đại học Quốc gia Singapore (NUS) đã phát minh ra một loại mạch điện tử dẻo (hay còn gọi là vi mạch dẻo) có thể uốn cong, co giãn và thích nghi với các bề mặt không phẳng. Đây là một bước đột phá lớn trong lĩnh vực điện tử linh hoạt có thể mở ra nhiều ứng dụng mới trong y tế, quân sự, giáo dục và giải trí.
Bạn có biết rằng Singapore là một trong những quốc gia hàng đầu thế giới về nghiên cứu và ứng dụng công nghệ cao?
Mạch điện tử dẻo được làm từ các nano kim loại có khả năng dẫn điện cao và các vật liệu polymer có tính đàn hồi tốt. Các nano kim loại được sắp xếp theo một cấu trúc lưới để tạo ra các đường mạch điện. Các vật liệu polymer được phủ lên trên để bảo vệ các đường mạch khỏi các tác nhân bên ngoài. Khi vi mạch dẻo bị uốn cong hoặc co giãn, các nano kim loại sẽ thay đổi hình dạng để duy trì liên kết điện. Nhờ vậy, mạch điện tử dẻo có thể hoạt động ổn định trong các điều kiện khác nhau.
Một trong những ứng dụng tiềm năng của vi mạch dẻo điện tử là trong lĩnh vực y tế. Vi mạch dẻo có thể được gắn lên da hoặc cơ thể người để theo dõi các chỉ số sức khỏe như nhịp tim, huyết áp, nhiệt độ và độ ẩm. Vi mạch dẻo cũng có thể được cấy vào cơ thể người để kích thích các cơ quan hoặc điều trị các bệnh lý. Ví dụ, mạch tích hợp điện tử dẻo có thể được sử dụng để kích thích tim hoặc não khi có sự cố xảy ra.
Một ứng dụng khác của vi mạch dẻo điện tử là trong lĩnh vực quân sự. Vi mạch dẻo có thể được tích hợp vào các thiết bị quân sự như áo giáp, khẩu trang, kính nhìn xa hay thiết bị giao tiếp. Vi mạch dẻo có thể giúp tăng cường khả năng bảo vệ, theo dõi và liên lạc của binh lính trên chiến trường.
Một ứng dụng nữa của mạch điện tử dẻo là trong lĩnh vực giáo dục và giải trí. Mạch điện tử dẻo có thể được sử dụng để tạo ra các thiết bị học tập và chơi game linh hoạt và đa năng. Ví dụ, mạch điện tử dẻo có thể được biến thành một cuốn sách số, một bảng viết hay một máy chơi game có thể uốn cong theo ý muốn của người dùng.
Như vậy, mạch điện tử dẻo là một công nghệ mới đầy hứa hẹn, có thể mang lại nhiều lợi ích cho con người trong tương lai. Singapore là một quốc gia tiên phong trong việc phát triển và ứng dụng công nghệ này. Chúng ta hãy cùng chờ xem những kỳ tích mà mạch điện tử dẻo sẽ tạo ra trong thời gian tới.
Cách sản xuất và in 3D vật liệu mới cho vi mạch dẻo
Một nhóm nghiên cứu của Đại học Quốc gia Singapore (NUS) đã phát triển một loại vật liệu mới có tên BiLiSC có khả năng dẫn điện và có độ bền cao phù hợp cho việc sản xuất và in 3D các mạch điện tử dẻo. Loại vật liệu này có thể được sử dụng trong các lĩnh vực như thiết bị đeo, robot mềm và y tế.
BiLiSC là viết tắt của Bilayered Silver-Conducting Polymer Composite là một loại hợp chất gồm hai lớp: một lớp polymer dẻo và một lớp bạc dẫn điện. Lớp polymer dẻo được tạo ra bằng cách trộn hai loại polymer khác nhau: polydimethylsiloxane (PDMS) và polyvinyl alcohol (PVA). Lớp bạc dẫn điện được tạo ra bằng cách phun các hạt nano bạc lên bề mặt của lớp polymer dẻo.
Quy trình sản xuất và in 3D BiLiSC khá đơn giản và tiết kiệm chi phí. Đầu tiên, nhóm nghiên cứu trộn PDMS và PVA với nhau để tạo ra lớp polymer dẻo. Sau đó, họ đổ hỗn hợp này vào khuôn để tạo ra các miếng BiLiSC có hình dạng mong muốn. Tiếp theo, họ sử dụng một máy phun nano bạc để phun các hạt nano bạc lên bề mặt của các miếng BiLiSC. Cuối cùng, họ sử dụng một máy in 3D để ghép các miếng BiLiSC lại với nhau để tạo ra các mạch điện tử dẻo.
Một trong những ưu điểm của phương pháp này là việc sử dụng nano bạc làm chất dẫn điện thay vì các kim loại khác như đồng hay vàng. Nano bạc có khả năng chống oxy hóa và chịu được nhiệt độ cao, do đó giúp kéo dài tuổi thọ của các vi mạch dẻo. Ngoài ra, việc sử dụng máy in 3D cũng cho phép tạo ra các vi mạch dẻo có hình dạng phức tạp và linh hoạt.
Tuy nhiên, phương pháp này cũng gặp một số khó khăn. Một trong số đó là việc duy trì độ liên kết giữa hai lớp của BiLiSC khi kéo căng hay uốn cong. Nhóm nghiên cứu đã giải quyết vấn đề này bằng cách sử dụng PVA làm chất kết dính giữa hai lớp. Một vấn đề khác là việc đảm bảo tính thẩm mỹ của các mạch điện tử dẻo khi sử dụng nano bạc. Nhóm nghiên cứu đã khắc phục vấn đề này bằng cách sử dụng các hạt nano bạc có kích thước nhỏ và phân bố đều trên bề mặt của BiLiSC tạo ra một màu xám nhạt.
Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm hiệu năng của BiLiSC bằng cách tạo ra các mạch điện tử dẻo có chức năng khác nhau, như cảm biến áp suất, cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm và đèn LED. Kết quả cho thấy BiLiSC có khả năng dẫn điện tốt và có độ bền cao khi bị kéo căng hay uốn cong. Nhóm nghiên cứu hy vọng rằng BiLiSC sẽ mở ra những khả năng mới cho việc sản xuất và in 3D các mạch điện tử dẻo trong tương lai.
So sánh vật liệu mới cho vi mạch dẻo với các vật liệu điện tử khác
Mạch điện tử dẻo là một loại mạch chứa nhiều linh kiện điện tử có khả năng uốn cong, co giãn và thích ứng với các hình dạng khác nhau. Mạch điện tử dẻo có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như thiết bị đeo, robot mềm, y tế và quân sự. Tuy nhiên, để sản xuất mạch điện tử dẻo, cần phải có các vật liệu có tính chất dẫn điện và độ bền cao.
Một nhóm nghiên cứu của Đại học Quốc gia Singapore (NUS) đã phát triển một loại vật liệu mới có tên BiLiSC có khả năng dẫn điện và có độ bền cao, phù hợp cho việc sản xuất và in 3D các vi mạch dẻo. Loại vật liệu này được tạo ra bằng cách kết hợp hai lớp: một lớp polymer dẻo và một lớp bạc dẫn điện.
Trong bài viết này, chúng tôi sẽ so sánh loại vật liệu BiLiSC với các loại vật liệu khác được sử dụng cho vi mạch dẻo, bao gồm polymide, PEEK (polyether ether ketone) và màng polyester dẫn điện trong suốt.
Polymide là một loại polymer có khả năng chịu nhiệt và chống lại các hóa chất. Polymide được sử dụng làm lớp cách điện cho các vi mạch chứa linh kiện điện tử dẻo. Tuy nhiên, polymide không có tính chất dẫn điện, do đó cần phải kết hợp với các kim loại như đồng hoặc vàng để tạo ra các đường mạch. Điều này làm tăng chi phí và giảm độ linh hoạt của các vi mạch chứa linh kiện điện tử dẻo.
PEEK là một loại polymer có khả năng chịu nhiệt cao và có độ bền cơ học cao. PEEK cũng được sử dụng làm lớp cách điện cho các vi mạch dẻo. Tương tự như polymide, PEEK cũng không có tính chất dẫn điện, do đó cũng cần phải kết hợp với các kim loại để tạo ra các đường mạch. Ngoài ra, PEEK còn có giá thành cao hơn polymide.
Màng polyester dẫn điện trong suốt là một loại vật liệu được tạo ra bằng cách tráng một lớp polymer trong suốt lên bề mặt của một lớp polyester. Màng polyester dẫn điện trong suốt có thể được sử dụng để tạo ra các màn hình cảm ứng hay các thiết bị quang học. Tuy nhiên, màng polyester dẫn điện trong suốt không có độ bền cao khi bị uốn cong hay kéo căng. Ngoài ra, màng polyester dẫn điện trong suốt cũng không thể được in 3D.
BiLiSC là một loại vật liệu mới cho mạch điện tử dẻo có nhiều ưu điểm so với các vật liệu khác. BiLiSC có khả năng dẫn điện cao nhờ lớp bạc dẫn điện, do đó không cần phải kết hợp với các kim loại khác để tạo ra các đường mạch. BiLiSC cũng có độ bền cao khi bị uốn cong hay kéo căng nhờ lớp polymer dẻo. BiLiSC còn có thể được in 3D để tạo ra các mạch điện tử dẻo có hình dạng phức tạp và linh hoạt. BiLiSC cũng có chi phí thấp hơn PEEK và màng polyester dẫn điện trong suốt.
Như vậy, BiLiSC là một loại vật liệu mới cho mạch điện tử dẻo có nhiều tiềm năng và ứng dụng trong tương lai. Nhóm nghiên cứu của NUS hy vọng rằng BiLiSC sẽ mở ra những khả năng mới cho việc sản xuất và in 3D các mạch điện tử dẻo.
Các vấn đề và thách thức của vi mạch trong mạch điện tử dẻo
Vi mạch là một loại mạch điện tử trong đó các linh kiện và đường dẫn được hình thành trên cùng một bề mặt của một chất bán dẫn như silic. Vi mạch có nhiều ưu điểm như kích thước nhỏ, hiệu suất cao, tiết kiệm năng lượng và chi phí. Tuy nhiên, vi mạch cũng gặp nhiều vấn đề và thách thức khi được sử dụng trong mạch điện tử dẻo là một loại mạch điện tử có khả năng uốn cong, co giãn và thích ứng với các hình dạng khác nhau.
Một trong những vấn đề chính của vi mạch trong mạch điện tử dẻo là độ bền. Khi mạch điện tử dẻo bị uốn cong hay kéo căng, vi mạch trên nó cũng bị biến dạng, gây ra các hư hỏng như nứt gãy, rạn nứt, lỏng liên kết hoặc ngắn mạch. Điều này làm giảm độ tin cậy và tuổi thọ của vi mạch và ảnh hưởng đến chức năng của mạch điện tử dẻo.
Một trong những vấn đề chính của vi mạch trong mạch điện tử dẻo là độ bền. Khi mạch điện tử dẻo bị uốn cong hay kéo căng, vi mạch trên nó cũng bị biến dạng, gây ra các hư hỏng như nứt gãy, rạn nứt, lỏng liên kết hoặc ngắn mạch. Điều này làm giảm độ tin cậy và tuổi thọ của vi mạch và ảnh hưởng đến chức năng của mạch điện tử dẻo.
Một vấn đề khác của vi mạch trong mạch điện tử dẻo là chi phí. Việc sản xuất vi mạch trên các chất bán dẫn linh hoạt như polyme hay giấy yêu cầu các công nghệ và thiết bị đặc biệt, chưa phổ biến và đắt đỏ. Ngoài ra, việc tích hợp vi mạch với các linh kiện khác trên mạch điện tử dẻo cũng cần các phương pháp kết nối phù hợp, như hàn, keo hay in 3D. Điều này làm tăng chi phí và khó khăn cho việc sản xuất hàng loạt .
Một vấn đề nữa của vi mạch trong mạch điện tử dẻo là hiệu suất. Việc sử dụng các chất bán dẫn linh hoạt như polyme hay giấy làm giảm khả năng dẫn điện và tốc độ xử lý của vi mạch so với các chất bán dẫn cứng như silic. Ngoài ra, việc uốn cong hay kéo căng cũng làm giảm khả năng hoạt động của vi mạch do ảnh hưởng đến các thông số như điện áp, dòng điện, tần số hay trở kháng.
Như vậy, vi mạch trong mạch điện tử dẻo còn gặp nhiều vấn đề và thách thức cần được giải quyết để phát huy được tiềm năng và ứng dụng của nó. Các nhà khoa học và kỹ sư đang nghiên cứu và phát triển các giải pháp mới để cải thiện độ bền, chi phí và hiệu suất của vi mạch trong mạch điện tử dẻo.